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反激輸出電容快速估算法

  輸出電容不同于AC/DC應(yīng)用中的母線電容,其與電路拓撲、工作狀態(tài)、ESR電阻及開關(guān)頻率等都有關(guān),在這錯綜復(fù)雜的關(guān)系中也存在著共性,下面就準備逐一展開分析并試圖找出恰當?shù)墓浪惴椒ā?/p>

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2021-03-05 16:12

反激電路輸出電容的選擇方法,首先假設(shè)ESR電阻為零的情況



                           1-1 反激電路

按圖1中的參數(shù)可以得到如下的波形曲線:


                  1-2 深連續(xù)模式下的電流及紋波波形

1-2中的電壓紋波可以通過對輸出二極管的電流積分獲得,但工程應(yīng)用中并不需要知道精確的波形軌跡只需求出峰值紋波即可,峰值紋波滿足公式△V=q/Co所以只要求出電荷量q就能估算出紋波大小而不需要積分運算了。

1-2中黃色q為充電棕色q為放電,穩(wěn)態(tài)時二者面積相同所以無論采用哪一邊的q進行計算都可以,這里顯然采用右邊棕色面積計算更簡單q=Io*Don*T這樣就得到了輸出紋波電壓的第一種狀態(tài)表達式:

V=q/Co=Io*Don/(Co*f)。

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2021-03-05 16:26
@boy59
反激電路輸出電容的選擇方法,首先假設(shè)ESR電阻為零的情況。[圖片]                          圖1-1反激電路按圖1中的參數(shù)可以得到如下的波形曲線:[圖片]                 圖1-2深連續(xù)模式下的電流及紋波波形圖1-2中的電壓紋波可以通過對輸出二極管的電流積分獲得,但工程應(yīng)用中并不需要知道精確的波形軌跡只需求出峰值紋波即可,峰值紋波滿足公式△V=q/Co所以只要求出電荷量q就能估算出紋波大小而不需要積分運算了。圖1-2中黃色q為充電棕色q為放電,穩(wěn)態(tài)時二者面積相同所以無論采用哪一邊的q進行計算都可以,這里顯然采用右邊棕色面積計算更簡單q=Io*Don*T這樣就得到了輸出紋波電壓的第一種狀態(tài)表達式:△V=q/Co=Io*Don/(Co*f)。

  當把輸入電壓調(diào)至70V又會獲得如下波形曲線:


                       1-3 淺連續(xù)模式的電流及紋波波形

  1-3依然滿足公式△V=q/Co,此時左側(cè)黃色似乎更容易求解。對黃色面積求解可以有多種表達形式這里引入電流紋波率r=I/Iavg=2*(Ipk1-Ipk2)/(Ipk1+Ipk2),這樣就得到了輸出紋波電壓的第二種狀態(tài):

V=q/Co=Io*2*Don+r^2/(Co*f*8*r) 

第一種狀態(tài)和第二種狀態(tài)的分界線為

r=2*Don

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2021-03-05 16:32
@boy59
  當把輸入電壓調(diào)至70V又會獲得如下波形曲線:[圖片]                      圖1-3淺連續(xù)模式的電流及紋波波形 圖1-3依然滿足公式△V=q/Co,此時左側(cè)黃色似乎更容易求解。對黃色面積求解可以有多種表達形式這里引入電流紋波率r=△I/Iavg=2*(Ipk1-Ipk2)/(Ipk1+Ipk2),這樣就得到了輸出紋波電壓的第二種狀態(tài):△V=q/Co=Io*(2*Don+r)^2/(Co*f*8*r)。 第一種狀態(tài)和第二種狀態(tài)的分界線為r=2*Don

 將輸入電壓繼續(xù)調(diào)大調(diào)制大于100V后電路進入斷續(xù)模式之后紋波不在變化,此時依然按照公式△V=q/Co求解,表達式也可以有很多種這里引入峰值電流Ipk得到輸出紋波電壓的第三種狀態(tài):

V=q/Co=Io*Io+Ipk^2/(Co*f*Ipk^2)

第二種和第三種狀態(tài)的分界線為

r=2

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2021-03-05 16:39
@boy59
 將輸入電壓繼續(xù)調(diào)大調(diào)制大于100V后電路進入斷續(xù)模式之后紋波不在變化,此時依然按照公式△V=q/Co求解,表達式也可以有很多種這里引入峰值電流Ipk得到輸出紋波電壓的第三種狀態(tài):△V=q/Co=Io*(Io+Ipk)^2/(Co*f*Ipk^2)第二種和第三種狀態(tài)的分界線為r=2

將反激的三種狀態(tài)公式匯總一下(ESR=0


之后可以分析出一個等輸出功率反激電路隨著輸入電壓從低到高變換輸出紋波的變化規(guī)律


                     1-4 輸出紋波與輸入電壓的關(guān)系(ESR=0

  圖中同時也給出了三種狀態(tài)的分界線,可知在ESR=0的條件下深連續(xù)模式下的輸出紋波最大,斷續(xù)模式時紋波最小且保持不變。

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2021-03-10 11:30

 其次考慮ESR電阻不為零的情況,由于ESR電阻上產(chǎn)生的壓降是下降的趨勢而濾波電容上的電壓是上升的趨勢所以最后的紋波不能用估算法直接疊加而是選擇其中大的一個。

淺連續(xù)或者DCM模式時

如果(Ipk1-Io)*ESR>Vpp 則輸出紋波為Ipk1*ESR,

如果(Ipk1-Io)*ESR<Vpp 則輸出紋波為Io*ESR+Vpp

                        1-5-1 淺連續(xù)模式

 

  深連續(xù)模式時

如果Ipk1*ESR>Vpp+Ipk2*ESR 則輸出紋波為Ipk1*ESR

如果Ipk1*ESR<Vpp+Ipk2*ESR 則輸出紋波為Ipk2*ESR+Vpp

                          1-5-2 深連續(xù)模式

  前面假設(shè)電容紋波曲線為直線(實為弧線)所以結(jié)果存在一定的誤差,當ESR電阻較大峰值電流Ipk*ESR遠大于電容紋波時這一誤差就消除了,見下圖

                       1-5-3 ESR較大時的波形

 

 根據(jù)上述各種情況繪制不同ESR的曲線圖如下

                  1-6 不同ESR下輸出紋波與輸入電壓的關(guān)系

ESR紋波=電容紋波時可以計算出臨界條件以深連續(xù)模式為例(輸入電壓50V)根據(jù)公式

計算出ESR=0.005,設(shè)Gesr=ESR*Co可知當前條件下臨界Gesr=0.1*10^-6。

對于電解電容一般Gesr=60*10^-6,根據(jù)公式可以計算出當前條件下電解電容的臨界頻率為2.7kHz左右,通常開關(guān)電源頻率都在幾十kHz以上所有如果輸出采用的是電解電容可以直接用輸出峰值電流乘以ESR電阻來估算(Ipk1*ESR),至此完成了反激電路最小輸出電容的估算。

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mo0421
LV.1
7
2021-03-17 10:01
@boy59
 其次考慮ESR電阻不為零的情況,由于ESR電阻上產(chǎn)生的壓降是下降的趨勢而濾波電容上的電壓是上升的趨勢所以最后的紋波不能用估算法直接疊加而是選擇其中大的一個。淺連續(xù)或者DCM模式時如果(Ipk1-Io)*ESR>△Vpp則輸出紋波為Ipk1*ESR,如果(Ipk1-Io)*ESR△Vpp+Ipk2*ESR則輸出紋波為Ipk1*ESR如果Ipk1*ESR
學(xué)習(xí)了,有收獲。
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2021-03-20 20:53
@boy59
 其次考慮ESR電阻不為零的情況,由于ESR電阻上產(chǎn)生的壓降是下降的趨勢而濾波電容上的電壓是上升的趨勢所以最后的紋波不能用估算法直接疊加而是選擇其中大的一個。淺連續(xù)或者DCM模式時如果(Ipk1-Io)*ESR>△Vpp則輸出紋波為Ipk1*ESR,如果(Ipk1-Io)*ESR△Vpp+Ipk2*ESR則輸出紋波為Ipk1*ESR如果Ipk1*ESR
我是按照1000uF/1A輸出電流,來選取輸出部分電容的,大佬的分析過程很詳細,值得借鑒
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飛翔2004
LV.10
9
2021-03-22 17:31
@mo0421
學(xué)習(xí)了,有收獲。
學(xué)習(xí)了,一般按客戶對紋波的要求,產(chǎn)品的壽命要求,計算值后所留多大的余量。
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zhenxiang
LV.10
10
2021-03-22 21:37
@XHH9062
我是按照1000uF/1A輸出電流,來選取輸出部分電容的,大佬的分析過程很詳細,值得借鑒

那要看選的電容的材質(zhì)來定了。固態(tài)和普通鋁電解的ESR和允許電流差異好大的,同樣電壓和容量。

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2021-03-22 21:49
@zhenxiang
那要看選的電容的材質(zhì)來定了。固態(tài)和普通鋁電解的ESR和允許電流差異好大的,同樣電壓和容量。
是的對于電解電容來說ESR起決定作用,普通電解(按60*10-6算)如果按1000uF/A取值,工作在臨界模式時紋波電壓約300mV,工作在連續(xù)模式下紋波約200mV(占空比0.45左右)。
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mantianshui
LV.4
12
2021-03-22 23:02
@boy59
是的對于電解電容來說ESR起決定作用,普通電解(按60*10-6算)如果按1000uF/A取值,工作在臨界模式時紋波電壓約300mV,工作在連續(xù)模式下紋波約200mV(占空比0.45左右)。
有空慢慢看
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zhanceshen
LV.2
13
2021-03-23 09:58
學(xué)習(xí)了,分析的很精彩。具體的設(shè)計還需要牽扯到實際應(yīng)用場合,電容材質(zhì)不同,ESR不同
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2021-03-23 12:11
ESR很重要,特別的高頻DCTO DC電路中,用固態(tài)和多層的用紋波效果好,只用普通的鋁電解電容去紋波效果不行,我用的膽電容效果也是一般,高頻這個還是用固體電容和MLCC電容用波紋較好
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2021-03-23 14:33
@ZH電子達人
ESR很重要,特別的高頻DCTODC電路中,用固態(tài)和多層的用紋波效果好,只用普通的鋁電解電容去紋波效果不行,我用的膽電容效果也是一般,高頻這個還是用固體電容和MLCC電容用波紋較好
其實ESR這塊,材質(zhì)固然重要,但是不同廠家的ESR也有區(qū)別
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k6666
LV.9
16
2021-03-24 16:08
@boy59
反激電路輸出電容的選擇方法,首先假設(shè)ESR電阻為零的情況。[圖片]                          圖1-1反激電路按圖1中的參數(shù)可以得到如下的波形曲線:[圖片]                 圖1-2深連續(xù)模式下的電流及紋波波形圖1-2中的電壓紋波可以通過對輸出二極管的電流積分獲得,但工程應(yīng)用中并不需要知道精確的波形軌跡只需求出峰值紋波即可,峰值紋波滿足公式△V=q/Co所以只要求出電荷量q就能估算出紋波大小而不需要積分運算了。圖1-2中黃色q為充電棕色q為放電,穩(wěn)態(tài)時二者面積相同所以無論采用哪一邊的q進行計算都可以,這里顯然采用右邊棕色面積計算更簡單q=Io*Don*T這樣就得到了輸出紋波電壓的第一種狀態(tài)表達式:△V=q/Co=Io*Don/(Co*f)。
反激輸出電容與工作頻率有關(guān)系的,需要考慮ESR值
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yujunice
LV.5
17
2021-03-24 17:18
分析過程很詳細,值得借鑒?。?!
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pzg1989
LV.4
18
2021-04-08 14:32
@yujunice
分析過程很詳細,值得借鑒?。?!
我一般使用ESR=紋波電壓/紋波電流  來計算電容所需的ESR;另外根據(jù)輸出紋波的頻率來確定使用高頻還是低頻電容
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2021-04-09 12:18
@boy59
是的對于電解電容來說ESR起決定作用,普通電解(按60*10-6算)如果按1000uF/A取值,工作在臨界模式時紋波電壓約300mV,工作在連續(xù)模式下紋波約200mV(占空比0.45左右)。
輸出電容的選擇還是要合適,尤其采用大的電解電容的時候,ESR內(nèi)部等效電阻關(guān)鍵。
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lkings
LV.6
20
2021-04-09 13:15
應(yīng)該加上考慮動態(tài)載時的電容容量,這樣更全面一點
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2021-04-09 16:06
@lkings
應(yīng)該加上考慮動態(tài)載時的電容容量,這樣更全面一點
電壓過充和跌落問題資料上都有相關(guān)公式,這里沒有引用是不想把問題復(fù)雜化,只是給出了最小電容的求解方法。
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2021-04-23 10:56

好貼必須贊

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2021-04-23 10:56

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pupil2008
LV.2
24
2022-05-10 15:26

學(xué)習(xí)了

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